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《Adv Mater》:独特的多孔结构,实现高性能钾硒电池负极!

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编辑推荐:本文通过静电纺丝法和后续的刻蚀活化,成功制备了氮掺杂“豆荚状”空心碳纤维,并用于钾硒(K-Se)电池的负极具有良好的电化学性能。通过原位XRD和第一性原理计算等多方法,对K-Se电池中Se与K的反应步骤进行了详细的阐明,为未来K-Se电池的理论研究和商业化应用打下了坚实的基础。

由于钾元素丰富的储量和低廉的价格,研发K-Se电池被认为是解决当今锂电池成本过高的有效途径。但是,K-Se电池目前还处于研究的初级阶段,其储能机制目前还尚待阐明,且具有高效的储能结构的电极材料也尚未有相关报道。

中科大的于彦教授与中科院大连物化所吴忠帅教授等人合作,通过实验表征和理论计算相结合,对于Se正极中的储钾性能进行了分析探讨。相关论文以题为“Unraveling the Nature of Excellent Potassium Storage in Small-Molecule Se@Peapod-Like N-Doped Carbon Nanofibers”在Advanced Materials上发表。

论文链接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003879

由于钾相比钠具有同样丰富的储量,但更低的电位,钾离子电池近年来被广泛认为是锂电池最有希望的潜在替代者之一。而且,随着硒元素被开发作为正极,其良好的电导率、与碳酸盐电解质优异的相容性和极高的理论容量,进一步提高了K-Se电池的竞争力。但是K-Se电池反应过程中的中间相溶解迁移和体积膨胀过大两个问题,K-Se电池的电化学性能一直不够理想。并且K-Se电池的反应过程和反应机理也并未完全揭示,而深入理解电池材料的反应机理是优化电化学性能的前提。因此,K-Se电池还有待进一步的研究。

本文作者针对以上问题,制备了自支撑豆荚状氮掺杂多孔炭纳米纤维作为K-Se电池正极。独特的多孔结构可以负载大量的Se、缩短K+的扩散路径;氮掺杂炭增强了炭与硒化钾之间的化学亲和力;1D的纳米线连接形成3D的互联导电网络,增加了材料的导电性,提高了倍率性能。电化学测试中,电极在0.5A g-1的电流密度下循环1670次后可逆容量依旧高达367 mA h g-1。此外,通过原位拉曼测试、非原位TEM、第一性原理计算等方法对反应过程进行了分析。结果表明Se的反应过程主要为Se-K2Se-K2Se两步的全固态反应,有效抑制了多硒化合物短链小分子K2Sen(3≤n≤8)的产生,从而避免了多硒化物的穿梭效应,大大提高了Se的利用率。

总的来说,作者制备了多孔豆荚状1D纳米纤维结构氮掺杂碳纤维,具有良好的导电性和储Se能力。并通过多种表征手段,对于反应的机理进行了详细的分析,并发现该结构有效的抑制了小分子多硒化合物的形成,大大的缓解了穿梭效应。该研究不但为后续K-Se电池正极的结构提供了良好的设计思路,还对于K-Se电池的反应过程进行了详细的研究,对未来K-Se电池的研究和优化具有极其重要的意义。(文:Today)

图1 电极的设计和合成示意图。

图2 Se@NPCFs的电镜表征图

图3 Se@NPCFs的电化学测试和对应的理论计算结果。

图4 K-Se电池中Se@NPCFs的反应机理分析。

图5 K-Se电池中的不同电化学行为的研究

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